Теоретичні основи різання ґрунту

В Україні виконуються величезні об'єми земляних робіт. Це відноситься як дорожнього, гідротехнічного, ландшафтного будівництва, гірничодобувної промисловості, так і будівництва в цілому. Розробка ґрунтів і гірських порід є найважливішою (основною) операцією технологічного процесу будівництва фундаментів. При цьому, за ресурсоємкістю, ця операція перевершує інші.

Земляні роботи проводяться цілим рядом землерийних машин: екскаваторами, скреперами, грейдерами, драглайнами, траншеєкопачами, бурильними установками і т.д. Конструкція і режим роботи цих машин визначається опором середовища, що руйнується. Причому руйнування ґрунту, частіше всього, здійснюється його різанням. Вивченням цього процесу займалися ряд дослідників, і, в цілому, теорія різання ґрунтів достатньо розроблена. Проте її положення коректні для визначення параметрів машин, що здійснюють майже прямолінійне різання ґрунтів, близько до денної поверхні, в сухому середовищі.

Дослідженнями процесу різання ґрунтів і встановленням параметрів навантаження конструкцій займалися: Абезгауз В.Д, Айзеншток И.Я., Алімов О.Д., Артемьєв К.А., Баладінський B.А., Баловнев В.І., Бестембек Е.С., Бушманова Е.С., Ветров Ю.А., Воздвіженський Б.Н., Грузін В.В., Горячкин В.П., Далин А.Д., Домбровський Н.Г., Зеленін А.Н., Кабашев Р.А., Кадиров А.С., Кульгильдінов М.С., Линьков С.А., Мирзашев З., Недорезов И.А., Нураков С.Н., Нургужин М.Р., Остроушко И.А., Пермяков В.Б., Попов В.Н., Смородинов М.И., Суханов А.Ф., Сурашов Н.Т., Тарасов В.Н. Тургумбаев Ж.Ж., Успанов Б.Ш., Федоров Д.И., Харченко В.В., Хмара Л.A., Халаер А.А., Юлдашев А.А., Янцен И.А. В результаті досліджень отримані різні теоретичні і експериментальні дані, що характеризують силу опору ґрунту руйнуванню при прямому і косому різанні залежно від геометрії інструменту. Встановлені, на базі теорії сипкого середовища із зчепленням, значення питомих сил різання. Визначений взаємозв'язок між швидкістю руху різця і силою різання і критична товщина стружки, що зрізується. Дані рекомендації по проектуванню різних землерийних машин.

Існує три підходи до рішення задач в механіці ґрунтів і, зокрема, в теорії різання:

- реологічний, заснований на розробці моделей ґрунту складених як сукупність пружних, в'язких і пластичних елементів;

- теоретичний, базується на використовуванні механіки суцільного середовища і

- експериментальний.

Перший метод не дозволяє одержувати адекватні результати і, в основному, служить для аналізу закономірностей зміни деформацій і осідань основ споруд.

Другий метод дає якісну картину руйнування ґрунту, дозволяє, що дуже важливо, дати вагомість сил різання щодо один одного, враховувати просторову модель роботи. Недоліком цього методу є низька точність розрахунків (розбіжність до 100%).

Третій метод, заснований на експериментальних наближених даних, дає достатньо точні для розрахунків параметрів навантаження і режиму роботи землерийних машин результати, але не дозволяє вводити в схеми нові навантаження і визначати вплив різних чинників навантаження.

Деякі землерийні машини, наприклад, фрезерні і бурильні, мають робочі органи невеликого діаметра, працюють глибоко від поверхні ґрунту, в середовищі глинистого розчину або води. Ці умови роботи характерні для будівництва підземних споруд способом «стіна в ґрунті» і при влаштуванні буронабивных паль. Як показує практика, відомі положення теорії різання ґрунтів не дозволяють розрахувати, з достатнім ступенем точності, режим і навантаження цих машин.

У зв'язку з цим проблема визначення сил опору різанню ґрунту машинами, що працюють на великих глибинах, в середовищі рідини і з малою кривизною траєкторії руху робочого органу є актуальною проблемою.

На першому етапі розглядається схема граничної рівноваги елемента ґрунту при прямолінійному русі гострого різця в забої (рис. 10).

Запропонована схема описує рух в ґрунті різця з кутом різання δ, заднім кутом ν, зрізуючого шар ґрунту, завтовшки h. До елемента стружки, що зрізується, прикладені складові сил опору на площі сколу R_τ і R_σ, вагу ґрунту Р, тиск на забій q. Сила різання N_р, для врахування сили тертя, відхилює від нормалі на кут зовнішнього тертя μ.

 

Рис. 10. Схема граничної рівноваги елемента ґрунту при прямолінійному різанні

 

При розгляді подібних схем раніше не визначався кут нахилу майданчика сколу ш до горизонталі. Тим часом значення цього кута визначає частоту скола і отже величину і варіацію сили різання. Цей кут також характеризує характер формоутворення стружки: елементна або зливна.

При зростанні кута ψ різання може змінитися відривом стружки ґрунту, а це вже абсолютно інші деформації і інша фізична картина руйнування. Процес різання-відрив залежить від співвідношень сил, направлених на різання або відрив або, що ще точніше, від співвідношень деформацій зсуву і відриву ґрунту. При цьому необхідне врахування кутів різання, внутрішнього і зовнішнього тертя. Для інженерних розрахунків необхідна не тільки детермінована функція кута ψ, але і гранична умова «різання – відрив» по величині цього кута.

Нехтуючи вагою стружки і навантаженням на забій, визначили умови рівноваги елемента стружки, що зрізується:

 

(1)

Визначивши значення складових сили різання N_τp і N_σp по схемі, відповідно до рис. 1, і виразити їх через дотичну напругу ґрунту зсуву ф і гранична напруга розриву, отримали:

 

; (2)

 

 

(3)

де S – площа сколуа елемента стружки, м² ;

τ_о = с – зчеплення ґрунту, Н/м²;

σ – граничне нормальне напруження, Н/м²;

σ _РЗ – граничне напруження розриву ґрунту, Н/м²;

φ – кут внутрішнього тертя ґрунту

Поділивши вираз (2) на вираз (3) і вважаючи в граничному випадку N_τp / N_σp = 1, отримаємо:

 

 

. (4)

умова різання.

При руйнуванні ґрунту, одночасно з різанням відбувається його зім'яття. Причому, чим менше товщина стружки, що зрізується, тим більше ваговитість зім'яття ґрунту різцем в загальному значенні сили опору. Зім'яття ґрунту відбувається задньою затупленою гранню різця. При зменшенні товщини стружки, що зрізується, відношення площі зім'яття до площі різання зростає.

Зім'яття відбувається на майданчику зносу різця, при фрезеруванні площа зім'яття збільшується за рахунок того, що сила різання відхиляється від дотичної до траєкторії руху на кут β_тр. Цей кут виникає як результат складання відносної і переносної швидкостей руху фрези. Значення цього кута 2…4⁰ не важливі при розрахунку сил різання гострим ножем, але значно впливають на утворення майданчики зім'яло.

Відношення площ зім'яття і різання визначиться залежністю:

(16)

де h_u – висота ділянки зносу, м;

К_см – коефіцієнт зім'яття ґрунту.

Опір зім'яттю ґрунту значно перевищує опір при різанні. У зв'язку з цим запропоновано враховувати збільшення сили різання за рахунок зім'яття грунту коефіцієнтом зім'яття.

Розгляд схеми граничної рівноваги стружки, що зрізується, з урахуванням перерахованих вище особливостей фрезерування ґрунтів.

На елемент сколюваної стружки аbс (рис. 11) діє сила нормального тиску з боку різця N_p, гідростатичний р_г.с. і гідравлічний тиск р_г.д, відцентрова сила Р_ц.δ,, яка виникає через криволінійність руху різця, нормальна і дотична складові реакції з боку ґрунту R^τ і R^σ майданчику скола, сила опору зім'яттю ґрунту (нормальна складова і дотична ).

Забій профільтрований на величину h_ф, товщина стружки, що знімається, рівна h, товщина стружки зрізу – h_p і зім'яття h_см. На задню грань різця діє гідростатичний і гідродинамічний тиск.

Майданчик скола нахилений щодо дотичної до траєкторії різання на кут ψ. Різець має ширину b, кут різання δ, задній кут ν, ширину ділянки зносу а. Траєкторія руху різця нахилена до горизонталі на кут β_тр.

Рис. 11. Схема сил, діючих на елемент стружки, що зрізується

 

Визначивши сили, діючі на елемент стружки, що зрізується, і віднісши їх до сил, що виникають при прямолінійному різанні по сухому, отримані коефіцієнти умов роботи:

 

; ; ;

 

; (17)

 

де К_δ, К_с, К_ω, К_р, К_ц – коефіцієнти, відповідно що враховують збільшення сили різання по глибині проходки (К_δ), при роботі в рідкому середовищі (К_с), залежно від радіусу ро (К_ω), ваги стружки (К_р) і відцентрової сили (К_ц).

Як показали розрахунки і дані експерименту, величини коефіцієнтів К_р і К_ц близькі до одиниці і надалі не враховуються. Провівши ряд перетворень отримали:

 

. (18)

 

 

. (19)

 

де - сумарна сила різання, Н;

α_z – загальний коефіцієнт умов роботи, 1/м.

При цьому кут скола повинен обчислюватися по залежності:

 

 

(20)

 

Функція коефіцієнта умов роботи α_z вперше дозволяє розділити і описати складові сили різання при бурінні і фрезеруванні ґрунтів детерміновано. Перший доданок (19) враховує приріст сили різання за рахунок геостатичного тиску, другий і третій за рахунок гідростатичного гідравлічного тиску.

Література.

1. Хайбуллин Р. Р. Теоретические основы разрушения грунта при фрезеровании и бурении рабочими органами строительных машин // Республика Казахстан. Караганда, Автореф. дис.... д.т.н., 2008. – 41 с.